可入网电动汽车对配电网负荷影响的研究

薛新白 万 芮 牛凤文

（安徽职业技术学院，合肥 230011）

在“碳达峰、碳中和”目标的引领下，能源行业低碳升级转型成为发展的必由之路。2021 年1—2月，中国新能源汽车生产31.7 万辆，增长395.3%。目前，中国是全球新能源汽车保有量最多的国家，销量占全球新能源汽车的55%。纯电动汽车的推广为践行绿色和可持续发展贡献了重要力量。然而，随着入网电动汽车数量的急剧增加，城市配电网络产生了巨大的负荷波动。因此，对于电动汽车的大规模接入电网应该根据国家电价等政策进行合理的有序引导，增加配电网络运行的可靠性，同时提高私人电动汽车的使用经 济性。

文献[1]研究电动汽车参与含分布式光伏电源的配电系统的协同调度问题，通过电动汽车充电位置优化和电动汽车充电时段优化，使得优化策略能平抑电网波动，减少配电系统网损。文献[2]充分考虑了电动汽车负荷特性和进入电动汽车充电站的流量密度，在经济性和科学性目标下，对电动汽车充电站的设置进行规划。文献[3]针对可入网电动汽车设计了多种充电策略，通过电动汽车有序充电的双层优化模型，降低尖峰负荷，填补低谷负荷，使得系统负荷曲线更加平坦。文献[4]提出一种含大规模电动汽车接入的主动配电网多目标优化调度方法，以应对配电网络由于电动汽车无序充电而造成的高峰负荷加剧的 问题。

本文以私人电动汽车为研究对象，建立电动汽车的时空特性模型，基于蒙特卡洛模拟法（Monte Carlo method），以一天24 h 为基础，选择合肥市春季和夏季两个典型日，研究私人电动汽车在无序充电和有序充放电策略下对配电网负荷的影响。

1 电动汽车的时空特性模型

1.1 电动汽车的时间特性模型

以私人电动汽车为研究对象，由统计数据得出电动汽车最后一次返程时间t0符合正态分布，即t0～N(μt,σt2)。它的概率密度函数表达式为[5]：

式中：μt=17.47；σt=3.41。

1.2 电动汽车空间特性模型

由美国交通部对全美家用车辆的调查结果得出，私人电动汽车的日行驶里程数S 符合对数分布即S～log N(μs,σs2)。它的概率密度函数表达式为：

式中：μs=3.2；σs=0.88。

考虑到电动汽车电池的充放电特性，规定电动汽车蓄电池的荷电状态（State of Charge，SOC）不少于20%，即SOC ∈[0.2,1]。

2 电动汽车的充电策略

2.1 电动汽车无序充电的充电策略

在政策上，发改委等相关政府部门不对电动汽车充电时间进行限制，电网企业不对电动汽车用户的充电量进行补贴，那么私人电动汽车车主将完全按照个人工作、生活时间安排电动汽车接入电网的充电时间和充电量，此类充电方式为电动汽车的无序充电。在这种充电策略下，假设私人电动汽车接入电网充电的时间是车主最后一次返程时间，且电动汽车电池全部充满前车主不会再有车辆使用计划，即电池会持续充电直至充满（SOC=100%），不会中断。

2.2 电动汽车有序充电的充电策略

在政策上，发改委通过制定峰谷分时电价政策对电动汽车的充电时间进行引导，电网企业对可入网电动车放电量进行收购，那么私人电动汽车车主在经济利益的驱动下会主动对电动汽车的充、放电进行有序调节，此类充电方式为电动汽车的有序充放电。在这种充电策略下，假设私人电动汽车车主会根据最后一次返程时间选择电动汽车进行充电还是放电。如果返程时间在当时22 时（平段电价）之前，车主将控制电动汽车向大电网放电；如果返回时间在当日23 时至次日8 时（谷段电价），车主将控制电动汽车从电网充电，直至充满。其中：电动汽车充电，电网的负荷记为正；电动汽车放电，电网的负荷记为负。为了减少电量过低充电对电动汽车电池的伤害，延长电池寿命，规定放电深度不得超过总电量的20%（SOC=20%）。

3 算例分析

3.1 算例系统

本文选取合肥市2021 年春、夏两个典型日的日负荷。在该配电网系统中，春季日负荷的最高峰发生在20 时，总有功负荷为4 694 MW；夏季日负荷的最高峰发生在13 时，总有功负荷为7 701 MW。

为分析电动汽车不同充电策略对配电网日负荷曲线的影响，做出以下假设：

（1）假设配电网中的私人电动汽车均愿意参加有序充电，配电网中的电动汽车完全可控；

（2）选取蔚来ET7 型号电动汽车作为私人电动汽车的研究对象，其电池容量为70 kW·h，续航里程为500 km，充电器的转换效率为88%，电动汽车的电池剩余SOC 不少于20%；

（3）合肥市电动汽车充电设施投资运营有限公司目前共用34 000 注册用户，假设配电网中共34 000 台私人电动汽车。

3.2 电动汽车充电策略对负荷曲线的影响

由蒙特卡洛模拟法可以模拟出34 000 台电动汽车在无序充电和有序充放电的情况下24 h 的负荷需求，如图1 所示，并分别叠加在春、夏日负荷曲线上，如图2 和图3 所示。

比较图1 中的两条曲线可以得出：如果不对私家车的充电行为进行任何约束，那么电动汽车入网充电的最高峰期发生在18 时，在执行峰时电价的20 时至22 时，充电负荷依然很高，会给大电网带来压力。而进行有序充放电的约束后，在执行峰时电价的20 时至22 时，大量电动汽车进行放电，可以缓解电网负荷 压力。

对比图2 和图3 可以看出，从对大电网的影响角度来看，如果电动汽车都是以无序的方式接入电网，那么34 000 台电动汽车的日负荷需求对于此地区的日负荷有峰上加峰的影响，而电动汽车有序充放电对于日负荷有明显的削峰填谷作用。春季典型日负荷要小于夏季典型日负荷，因此在电动汽车有序充放电策略在春季执行对减少大电网负荷波动效果更明显。

从对电动汽车用户个人经济性的角度来看，根据表1 的买入和销售电价可以计算得出：在电动汽车无序充电策略下，地区的电动汽车用户每日需花费 279 715 元购电，相当于平均每人每天支出8.23 元；而在电动汽车有序充放电策略下，每日购电费用减去售电费用，总支出为74 616 元，相当于平均每人每天支出2.19 元，用电经济性显著增强。

表1 电价表

4 结语

本文建立了电动汽车时空特性模型，通过蒙特卡洛模拟法，仿真得出电动汽车的日行驶里程数和接入电网的时间。在电价和相关政策的引导下，制定了电动汽车在无序充电和有序充放电两种策略。通过春、夏两个典型日负荷曲线分析得出，电动汽车无序充电会导致电网日负荷曲线峰上加峰，而电动汽车有序充放电会可以对电网日负荷曲线进行削峰填谷，同时降低私人车主的用电费用。